无线传感器网络节点的硬件设计思路分析

无线传感器网络节点的硬件设计思路分析

王耀林

身份证号码：12022119900720XXXX天津市300384

摘要：无线传感网络作为新型网络系统，其能够在一定空间范围内实施信息传输。明确无线产钢网络内部硬件系统设计模式，有效控制硬件设计过程中出现问题的可能，借以保证无线传感系统与社会发展需求全面衔接。另外内部硬件设计作为无线传感网络信息传输的重要环节，对内部涉及的硬件系统综合分析，并制定有效设计方案对整个系统具有无可替代的作用。本文就无线传感网络综合分析，明确微处理器和硬件设备设计要点，全面提升无线传感网络节点设计的合理性。

关键词：无线传感器网络；通信协议；微处理器；硬件设计

引言

对于无线传感网络技术来说，其中涉及多方面高新技术手段，正是因为这些高新技术手段，才使得无线传感网络在进行信息传输过程中，能够对相应信息进行综合监督，大大提升信息传输质量，保证信息收集和处理的完善性。目前，我国各个行业对无线传感网络的重视程度逐渐提升，这项网络通信技术能够在一定程度上实现各个区域的网络信息传输，确保信息传输的连贯性。

一、节点总体设计和器材选型

1、节点总体设计

对于无线传感网络来说，在对其自身硬件设备进行设计之前，应对传感网络内部结果和传输范围等因素有一个全面的了解，并按照相应了解实施无线传感网络节点设计。一般来说，由于无线传感网络覆盖面积较大，使得其内部含有大量节点，因此在进行无线传感网络节点设计时，明确节点数量对于提升无线传感网络设计质量起到不可忽视的作用。大多数无线传感网络中携带路由器节点，这种节点能够在特定的条件下实现无线信息传输。而且网络中各个节点之间存在某种联系，在实施信息传输的过程中，各个节点之间具有一定衔接性。因此，在进行无线传感网络设计的过程中，应确保各个节点之间的连贯性。大多数节点上设有硬件设备，为了降低硬件设备能耗，应选取低能耗硬件设备，并在这个过程中采取无线传输的方式，降低信息在传输过程中出现信息丢失现象，保障信息传输质量。

一般来说，目前各个行业所使用的无线传感网络中涉及四项信息传输系统，即数据采集系统、数据处理系统、数据传输系统和电源管理系统着四个方面，因此，在无线传感网络节点设计时，应对这四个方面综合分析。

1.1数据采集系统

对于数据采集系统来说，其能够在特定条件下对无线传感网络信息传输过程中产生的数据进行收集处理，在这个过程中还能够实现信息转换的目的，大幅度减少信息传输时投入的时间，从而提升信息传输质量。

1.2数据处理系统

对于上一步骤收集来的数据，需要对其进行全面处理，处理的目的在于使得相关数据与无线传感网络全面衔接。在进行数据处理时，需要按照路由器规格签订路由协议，并对无线传感网络信息传输过程中，对能耗等方面进行综合管理，确保系统数据处理模式符合无线传感网络信息传输的全部要求。

1.3数据传输系统

数据传输系统顾名思义就是讲处理之后的数据利用相应系统软件进行传输处理。在这个过程中应控制外界因素对数据传输造成的影响，另外，数据传输系统还能从根本的角度上实现数据转换和收发等要求。

1.4电源管理系统

节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。

2、处理器选型

处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用AVR单片机，考虑到电路中I/O的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用Atmel公司的ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4KBSRAM、128KBFlash和4KBEEPROM；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。

3、无线通信器件选型

CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。

4、传感器选型

4.1HIH-4000系列测湿传感器

HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相对湿度(RH)传感性能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。

4.2MR511热线型半导体气敏元件

MR511型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。无线传感网络的节能和井下恶劣温湿环境要求MR5111可以满足。

二、网络节点的硬件设计

1、微处理器的选型

微处理器模块是网络节点硬件设计的核心，所有的设备控制，数据采集和处理，通信协议和数据收发等都在该模块的支持下完成，所以微处理器的选择在网络节点的设计中至关重要。微处理器的选择必须和通信协议联系起来.本文采用的是IEEE.802.15.4协议。IEEE.802.15.4协议是一个新的通信协议规定。它对系统微处理器的要求:8位微处理器；完全的协议栈，ROM<32K，简单功能节点协议栈，ROM约6K；协调器还需要足够的RAM，用于保存节点器件数据库，传输路由表等。设计所选用的是JENNIC公司JN5121模块.JN5121是业界第一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗，低成本无线微型控制器。该模块内置一款32位的RISC处理器，配置有2.4GHz频段的IEEE802.15.4标准的无线收发器，64K的ROM，96K的RAM，为无线传感器网络应用提供了多种多样的解决方案，同时高度集成化的设计简化了总的系统成本。

2、JN5121内置的ROM存储集成了点对点通讯

与网状网通讯的完整协议栈，内置的RAM存储可以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间。JN5121内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负载，同时还支持晶振休眠和系统节能功能，提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持，让用户可以方便地连接到自己的外部应用系统。

3、JN5121芯片的无线收发器

JN5121内置了无线收发器，因此极大地节省了硬件设计的复杂度，同时具有很好的封装性。由一个2.45GHz电台，一个O-QPSK调制调解器，一个基带处理器，安全协处理器以及PHY控制器。这些模块与协议软件提供了一个标准库，以802.15.4标准为基础的无线收发器，可以发送和接收无需授权的2.4GHz频带信号。

参考文献

[1]钱宇柬，祝捷.紧凑型高性能通信硬件平台设计和实现[J].现代电信科技.2013(Z1).

[2]尹为高.语音小车的硬件平台设计[J].科技资讯.2011(01).

[3]姜连祥,汪小燕.无线传感器网络硬件设计综述[J].单片机与嵌入式系统应用.2006(11).